Фазовые переходы (лекция 4)

1. Тема 4. Фазовые переходы.

1

2.

4.1. Изменение агрегатного состояния
вещества
Основные процессы
изменения агрегатного
состояния вещества:
1. Испарение (сублимация).
2. Конденсация.
3. Плавление.
4. Затвердевание
(кристаллизация).
2

3.

1. Испарение (парообразование) – отрыв молекул от поверхности
жидкости и переход в окружающее пространство (при любой
температуре).
Для твердых тел это явление называется сублимация или
возгонка.
2. Конденсация - превращение пара в жидкость
Если число молекул, покидающих жидкость за единицу времени
через единицу поверхности, равно числу молекул, переходящих из
пара в жидкость, то наступает динамическое равновесие между
процессами испарения и конденсации.
Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью,
называется насыщенным.
3

4.

3. Плавление.
При повышении температуры амплитуда колебаний
частиц увеличивается до тех пор, пока кристаллическая
решетка не разрушится, твердое тело плавится.
Q — количество теплоты, получаемое
телом при плавлении.
Зависимость Т
(Q)
Температура Tпл остается постоянной
до тех пор, пока весь кристалл не
расплавится, и только тогда
температура жидкости вновь начнет
повышаться.
Количество теплоты, необходимое для расплавления 1 кг
вещества, называется удельной теплотой плавления.
4

5.

4. Затвердевание (кристаллизация).
Q' — количество теплоты,
отдаваемое телом при
кристаллизации.
При постоянной температуре,
равной Tпл, начинается
кристаллизация.
Зависимость Т
(Q’)
Центры кристаллизации кристаллические зародыши
(кристаллики вещества, примеси,
пыль, сажа и т. д.)
Переохлажденная жидкость –
аморфные твердые тела.
5

6.

4.2. Фазовые переходы I и II рода
Фазой называется равновесное состояние вещества,
отличающееся по физическим свойствам от других
возможных равновесных состояний того же вещества.
Фазовый переход – качественное изменение свойств
вещества при переходе из одной фазы в другую:
• Изменение агрегатного состояния вещества
• Переход кристаллического вещества из одной
модификации в другую
6

7. Фазовые переходы I рода

– это переход, сопровождающийся поглощением или
выделением теплоты.
Фазовые переходы I рода характеризуются постоянством
температуры, изменениями энтропии и объема.
Примеры: плавление, кристаллизация и т. п.
В переходах I рода вещество переходит из более
упорядоченного кристаллического состояния в менее
упорядоченное жидкое состояние. Степень беспорядка
увеличивается, т. е., энтропия системы возрастает.
7

8. Фазовые переходы II рода

Эти переходы характеризуются постоянством объема и
энтропии, но скачкообразным изменением теплоемкости.
Примеры:
1. Переход ферромагнитных веществ (железа, никеля)
при определенных давлении в температуре в
парамагнитное состояние.
2. Переход металлов и некоторых сплавов при
температуре, близкой к 0 К, в сверхпроводящее
состояние,
характеризуемое
уменьшением
сопротивления до нуля.
3. Превращение жидкого гелия I при Т= 2,9 К в другую
жидкую сверхтекучую модификацию гелий II.
8

9.

4.3. Диаграмма состояния. Тройная точка.
Диаграмма состояния используется для наглядного
изображения фазовых превращений.
На диаграмме представлены
кривые испарения (КИ),
плавления (КП) и сублимации
(КС).
Эти кривые называются
кривыми фазового
равновесия.
Точка пересечения кривых называется тройной точкой.
Каждое вещество имеет только одну тройную точку.
9

10.

Диаграмма состояния, полученная в результате
эксперимента, позволяет судить о том, в каком
состоянии находится данное вещество при
определенных р и Т, а также какие фазовые переходы
будут происходить при том или ином процессе.
Например,
1 - в твердом состоянии,
2 - в газообразном,
3 - одновременно в жидком и
газообразном состояниях.
Изобарное нагревание 4—5—6:
в точке 5 -вещество плавится,
в точке 6 - начинает
превращаться в газ.
10

11.

7—8 - кристалл
превращается в газ минуя
жидкую фазу.
9—10 вещество пройдет
следующие три состояния:
газ — жидкость —
кристаллическое
состояние.
11

12.

Кривая испарения заканчивается в критической точке
К, кривая плавления уходит в бесконечность, а кривая
сублимации идет в точку, где p=0 и T=0 К.
Возможен непрерывный
переход вещества из жидкого
состояния в газообразное и
обратно в обход критической
точки, без пересечения кривой
испарения (переход 11—12 ).
Переход кристаллического состояния в жидкое
или газообразное может быть только скачкообразным
(в результате фазового перехода).
12